Hong Kong Şehir Üniversitesi'ndeki (CityU) araştırmacılar, 3D baskılı polimer kafes parçalarını eskisinden 100 kat daha güçlü hale getirmenin bir yolunu buldular.
Plastik baskılı nesneleri deforme olma pahasına güçlendiren geleneksel ısıl işlemlerle karşılaştırıldığında, CityU'nun yaklaşımı onları daha güçlü ve iki kat daha yumuşak hale getirmek için onları kısmen karbonlaştırıyor. Ekip, süreçlerini kullanarak, koroner stentler veya biyoimplantlar gibi belirli uygulamalara uyarlanmış mekanik özelliklere sahip karmaşık 3D baskı elde etmenin mümkün olduğunu söylüyor.
CityU profesörü Lu Yang, "Kırılgan ve kırılgan 3D baskılı fotopolimerleri, metallere ve alaşımlara sadece doğru koşullar altında ısıtarak rakip olan ultra sert 3D yapılara dönüştürmenin bir yolunu bulmamız şaşırtıcı." Dedi. "Çalışmamız, neredeyse her geometriye sahip hafif, güçlü ve dövülebilir mekanik metamalzemeleri üretmek için düşük maliyetli, basit ve ölçeklenebilir bir yol sağlıyor."
Malzemelerin "Kutsal Kase"sinin Peşinde
CityU bilim adamlarına göre, hafif ama aynı zamanda ultra yüksek mukavemetli ve sünek olan bir polimerin geliştirilmesi, malzeme araştırma ve geliştirmesinin "kutsal kâsesi" olarak kabul edilir, ancak bu özellikler genellikle "birbirini dışlar".
Bunun nedeni, inert bir atmosferde ısıtılarak plastik parçaları güçlendirilmiş karbona dönüştürmek için yaygın olarak kullanılan bir işlem olan piroliz, orijinal polimerin neredeyse tüm deforme olma özelliğini ortadan kaldırır. Ekip, başka plastik güçlendirme yöntemlerinin de var olduğunu kabul etse de, bunların aynı zamanda "[son parçanın] yapısal uygulamalarını sınırlayan" "doğal kırılganlık ve düşük tokluk" ile sonuçlandığını söylüyorlar.
Özellikle, bu eksiklikler, doğal hammaddelerde bulunmayan özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanmış "meta malzemelerden" parçaların imalatını sınırlandırmaktadır. Bunların belirli yinelemeleri, hafif yapısal tasarımları yapıldıkları malzemelerin nitelikleriyle birleştiren mikro kafesler oluşturmak için kullanılabilir, ancak araştırmacılar 3D baskı yeteneklerinin hala sınırlı olduğunu söylüyor.
Yang, "Güçlü ve sağlam mimari bileşenler, genellikle 3D baskı için metaller veya alaşımlar gerektirir, ancak ticari metal 3D yazıcıların ve hammaddelerin yüksek maliyeti ve düşük çözünürlüğü nedeniyle kolayca bulunamıyorlar," diye ekledi Yang. "Polimerler daha kolay bulunur, ancak çoğu zaman mekanik mukavemet veya tokluktan yoksundur."
100 kat daha sert polimerler geliştirin
CityU ekibi, 3D baskılı polimer kafesleri inceleme sürecinde, onları "sihirli" bir kısmi karbonizasyon durumuna ısıtmanın bir yolunu bulduklarını söyledi. Bilim adamları, piroliz işleminin ısıtma hızını, sıcaklığını, süresini ve gaz ortamını dikkatlice kontrol ederek, mikro kafeslerin sertliğinin, mukavemetinin ve sünekliğinin tek bir adımda artırılabileceğini buldular.
Araştırmacılar bu keşfi, yavaş ısıtmanın malzemenin polimer zincirlerinin pirolitik dönüşüm sırasında eksik bir dönüşüme uğramasına neden olduğunu ortaya çıkaran bir dizi karakterizasyon tekniği ile yaptılar. Bu, yapısal olarak güçlendirilmiş karbon parçalarının ve kompozitin çatlamasını önleyen gevşek çapraz bağlı polimer zincirlerinin sinerjik olarak bir arada var olduğu bir hibrit malzeme oluşturur.
Araştırmacılar, daha fazla Ar-Ge yoluyla, polimerin karbon parçalarına oranının, mukavemet ve süneklik için optimize edilmiş parçalar üretmek için de kritik olduğunu keşfetmeye devam ettiler. Teorilerini teste tabi tutan ekip, öncekinden 100 kat daha güçlü ve iki kat daha esnek olan karbonize bir kafesin yinelemeli olarak geliştirilebildiği birkaç test baskısı oluşturdu.
Ek bir bonus olarak, araştırmacıların "hibrit karbon" mikro kafesleri ayrıca baz polimerlerinden daha iyi biyouyumluluk sergiledi ve hatta hücresel biyoaktiviteyi daha iyi desteklediği gösterildi. Bunu akılda tutarak ekip, süreçlerinin çeşitli diğer polimerlerin işlevselliğini genişletmek ve tıbbi, robotik ve enerji cihazları için yeni 3D baskı malzemelerinin kilidini açmak için kullanılabileceğine inanıyor.
Kömürleşmiş malzemelerden basılmış 3D koroner stent örnekleri